На даче интернет едва работает, роутер постоянно переключается между диапазонами, а видео загружается по несколько минут. При этом стоит вынести модем к окну или поднять на второй этаж, и скорость заметно увеличивается. Значит, проблема может быть не в тарифе и не в оборудовании, а в том, насколько хорошо устройство принимает сигнал базовой станции.
Покупать дорогую антенну необязательно. Рабочую конструкцию для 4G можно собрать из медной проволоки, металлической пластины и коаксиального кабеля. Для простого варианта достаточно пяти отрезков проволоки. Более эффективная направленная антенна потребует аккуратной пайки и точных размеров.
Разберём две конструкции. Первая, антенна Харченко, или биквадрат, подходит для стационарного роутера, когда известна примерная сторона расположения базовой станции. Вторая, четвертьволновая антенна Ground Plane, значительно проще в изготовлении и принимает сигнал со всех направлений.
Сразу определимся с ожиданиями. Пассивная антенна не создаёт дополнительную мощность и не превращает слабый 4G в гарантированные 100 Мбит/с. Антенна помогает лучше принимать и передавать радиосигнал. Результат зависит от частоты, расстояния до базовой станции, помех, нагрузки на сеть, качества кабеля и возможностей модема.
1. Выбираем частоту и рассчитываем размеры антенны
Первая ошибка при самостоятельном изготовлении 4G-антенны заключается в том, что человек копирует схему из интернета, не проверяя рабочую частоту. Конструкция для 2600 МГц будет иметь другие размеры, чем антенна для 800 МГц. Универсальной настройки с одинаковой эффективностью на всех частотах у простого проволочного изделия нет.
LTE использует несколько частотных диапазонов. В России и европейских странах встречаются LTE Band 3, Band 7, Band 20 и другие. Конкретный набор зависит от оператора и местной сети.
| Диапазон LTE | Частоты передачи и приёма | Где может использоваться |
|---|---|---|
| Band 20, 800 МГц | 791–862 МГц | Загородные районы, покрытие больших территорий |
| Band 3, 1800 МГц | 1710–1880 МГц | Города, пригороды, загородные сети |
| Band 7, 2600 МГц | 2500–2690 МГц | Участки сети с повышенной потребностью в ёмкости |
Указаны суммарные границы частот приёма и передачи, а не одна непрерывная несущая. Точные полосы uplink и downlink можно проверить в таблице LTE. При проектировании важно учитывать обе полосы, поскольку модем не только получает данные от станции, но и отправляет их обратно.
Чтобы узнать рабочий диапазон, зайдите в веб-интерфейс 4G-роутера. В разделе состояния мобильной сети ищите параметры LTE Band, EARFCN или Frequency. Названия разделов различаются у Huawei, ZTE, Keenetic, MikroTik и других производителей.
Если роутер поддерживает выбор диапазона, можно временно проверить Band 3, Band 7 и Band 20 по отдельности. Не все прошивки позволяют фиксировать частоту. При оценке скорости учитывайте, что автоматический режим может объединять несколько несущих LTE.
Для расчёта размеров используют длину радиоволны. Чем выше частота, тем меньше получается антенна.
Длина волны, мм = 300 000 / частота, МГц
Для частоты 1800 МГц длина волны составляет приблизительно 166,7 мм. Четверть волны равна 41,7 мм, а одна восьмая волны равна 20,8 мм.
Значения пригодятся для изготовления обеих конструкций. Однако расчёт по длине волны даёт только исходную геометрию. Толщина проволоки, способ подключения и окружающие металлические предметы влияют на резонанс и согласование.
2. Направленная 4G-антенна Харченко из медной проволоки
Для загородного дома я бы начал с биквадрата, если роутер поддерживает внешние антенны, а направление на базовую станцию приблизительно известно. Биквадрат достаточно компактный, не требует сложной механической обработки и позволяет сосредоточить приём в нужном направлении.
Антенна состоит из двух ромбов, согнутых из одной медной проволоки, и металлического отражателя позади них. Ромбами фактически служат квадраты, повернутые на 45 градусов. Отражатель уменьшает излучение назад и помогает сформировать направленную диаграмму.
В удачно выполненных вариантах биквадрат способен давать усиление порядка 8–11 dBi. Речь идёт об ориентировочных характеристиках конструкции, а не о гарантированном усилении собранного дома образца. Реальный результат без измерений неизвестен.
Материалы и инструменты
- Одножильная медная проволока диаметром примерно 1,5–2 мм.
- Алюминиевая или медная пластина для отражателя.
- Коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом.
- Разъём SMA или N-типа и переходник под конкретный модем.
- Пластиковые стойки либо другой диэлектрический крепёж.
- Паяльник, припой, кусачки, плоскогубцы и штангенциркуль.
- Небольшая герметичная пластиковая коробка, если антенна будет работать на улице.
Для первого образца возьмём LTE Band 3. Расчётную центральную частоту выберем около 1795 МГц, между крайними частотами приёма и передачи данного диапазона.
| Элемент | Исходный размер |
|---|---|
| Сторона каждого ромба | 41,8 мм |
| Общая длина проволочного элемента | Около 334 мм |
| Металлический отражатель | 170 × 170 мм |
| Расстояние между ромбами и отражателем | Около 21 мм |
| Диаметр медной проволоки | 1,5–2 мм |
Размеры служат стартовым вариантом для опытного образца. Особенно чувствительны расстояние до отражателя и геометрия точки питания. Для стабильной работы во всей полосе Band 3 желательно проверить антенну прибором, а не полагаться исключительно на расчёт.
Пошаговая сборка биквадрата
- Подготовьте проволоку. Отрежьте приблизительно 350 мм медного провода. Небольшой запас понадобится для гибки и подгонки. Снимите изоляцию и выпрямите провод.
- Согните два одинаковых ромба. Каждый квадрат должен иметь четыре стороны длиной около 41,8 мм. Измеряйте расстояния по центральной линии проволоки. Углы между соседними сторонами должны быть близки к 90 градусам.
- Подготовьте отражатель. Вырежьте металлическую пластину размером 170 × 170 мм. Уберите острые заусенцы и предусмотрите отверстие для ввода коаксиального кабеля.
- Закрепите излучающий элемент. Проволочные ромбы должны располагаться параллельно отражателю примерно в 21 мм от его поверхности. Используйте пластиковые распорки, не допускающие случайного контакта с металлом.
- Подключите кабель. Центральную точку изгиба проволоки соедините с центральной жилой коаксиала. Два свободных конца проволоки соедините между собой и с оплёткой кабеля. Оплётку также электрически соедините с отражателем.
- Изолируйте точку питания. Центральная жила не должна непосредственно соприкасаться с оплёткой или металлическим отражателем. Оставьте минимальную длину неэкранированных выводов.
- Установите разъём. На другом конце кабеля должен находиться совместимый с роутером радиочастотный разъём. Готовый кабель с заводскими разъёмами предпочтительнее самодельной оконцовки.
У биквадрата легко перепутать точку соединения центральной жилы и оплётки. Ошибка способна резко ухудшить работу антенны. Для проверки геометрии полезно открыть схему соединения с фотографиями сборки. Представленная там конструкция рассчитана на другую частоту, поэтому механическую схему можно использовать как образец, но размеры необходимо пересчитать для LTE.
Не прокладывайте длинные оголённые проводники между отражателем и ромбами. Участок питания должен оставаться экранированным почти до точки подключения. Иначе кабель начнёт участвовать в излучении и изменит характеристики антенны.
Как изменить конструкцию для других частот
| Диапазон | Сторона ромба | Зазор до отражателя | Ориентировочный отражатель |
|---|---|---|---|
| 800 МГц, Band 20 | 90,7 мм | 45 мм | 365 × 365 мм |
| 1800 МГц, Band 3 | 41,8 мм | 21 мм | 170 × 170 мм |
| 2600 МГц, Band 7 | 28,9 мм | 14,5 мм | 120 × 120 мм |
Размеры рассчитаны как четверть и одна восьмая длины волны на средней частоте соответствующих диапазонов. Указанные значения не заменяют электродинамическую настройку и не гарантируют допустимый КСВ во всей полосе передачи и приёма.
Для 2600 МГц ошибки в несколько миллиметров уже существенны. Если нет штангенциркуля, точного крепежа и возможности проверить согласование, лучше начать с диапазона 800 или 1800 МГц.
3. Самая простая 4G-антенна своими руками за несколько шагов
Если не хочется вырезать металлический отражатель и сгибать два одинаковых ромба, можно собрать четвертьволновую антенну Ground Plane, или GP. Среди радиолюбителей подобную конструкцию иногда называют «пауком».
Вместо металлической пластины GP использует четыре проволочных противовеса, расходящихся от основания центрального штыря. Конструкция всенаправленная и обычно даёт намного меньше направленного усиления, чем биквадрат. Зато изготовить GP проще, а направлять на конкретную базовую станцию не требуется.
Антенна представляет собой вертикальный излучатель длиной приблизительно четверть волны и четыре противовеса. Противовесы отгибают вниз примерно на 45 градусов относительно горизонтальной плоскости, чтобы приблизить входное сопротивление к 50 Ом.
Принцип устройства всенаправленной антенны Ground Plane. Центральный штырь соединяется с жилой кабеля, противовесы с оплёткой.Размеры четвертьволновой антенны
| Частота | Центральный штырь | Каждый противовес |
|---|---|---|
| 800 МГц, Band 20 | Около 86 мм | Около 91 мм |
| 1800 МГц, Band 3 | Около 40 мм | Около 42 мм |
| 2600 МГц, Band 7 | Около 27 мм | Около 29 мм |
Для центрального штыря использовано ориентировочное укорочение до 95% от четверти длины волны, для противовесов оставлена полная расчётная четверть. Реальные резонансные длины будут зависеть от диаметра проволоки, формы соединений и крепления. Поэтому значения нужно рассматривать как размеры заготовок для последующей настройки.
Собираем антенну Ground Plane
- Возьмите приборный SMA- или N-разъём с возможностью крепления противовесов к металлическому корпусу.
- Припаяйте вертикальный штырь к центральному контакту разъёма.
- Закрепите четыре медных противовеса на металлическом основании, электрически соединённом с внешним контактом разъёма.
- Расположите противовесы равномерно по окружности с углом 90 градусов между соседними элементами.
- Отогните каждый противовес вниз примерно на 45 градусов к горизонтальной плоскости.
- Подключите 50-омный коаксиальный кабель и разместите антенну у окна или на улице в защищённом корпусе.
Для GP можно предварительно проверить мультиметром, что центральный контакт не замкнут на корпус разъёма. Однако мультиметр не покажет согласование антенны на радиочастоте. Для проверки последнего требуется антенный анализатор.
В отличие от направленного биквадрата, GP не нужно вращать в сторону базовой станции. Зато стоит попробовать несколько точек установки и разную высоту.
4. Подключаем антенну к роутеру и проверяем, работает ли усиление
Выбираем кабель и разъёмы
Не стоит экономить на коаксиальном кабеле. На высоких частотах кабель способен поглотить значительную часть сигнала, полученного за счёт антенны.
Для LTE обычно используют 50-омные кабели, совместимые с разъёмами модема. Например, LMR-240 или аналог с проверенными характеристиками. RG-174 удобен благодаря небольшой толщине, но на длинных участках создаёт большие потери.
При частоте 1800 МГц пяти метров кабеля LMR-240 соответствует приблизительно 1,8 дБ потерь только в самом кабеле. Переходники добавляют дополнительное затухание. Пять метров тонкого RG-174 могут потерять уже несколько децибел, в зависимости от конкретной марки.
Производитель кабельной продукции приводит характеристики затухания LMR-240 на разных частотах. Перед покупкой длинного кабеля полезно сравнить потери на рабочем диапазоне.
Практический совет. Если для установки наружной антенны нужен длинный кабель, иногда выгоднее разместить сам 4G-роутер ближе к антенне и протянуть в дом Ethernet. Потери в радиочастотном кабеле сокращаются, а сетевой кабель передаёт уже цифровые данные.
Перед подключением проверьте тип антенного разъёма. На разных моделях встречаются SMA, TS9, CRC9 и другие варианты. Не путайте SMA и RP-SMA, которые внешне похожи, но различаются устройством центрального контакта.
Зачем нужны две антенны MIMO
Многие LTE-роутеры используют технологию MIMO, когда несколько антенных трактов помогают одновременно принимать пространственно различающиеся сигналы. Для MIMO 2×2 обычно нужны две правильно подключённые антенны или одна двухпортовая конструкция с независимыми излучателями.
При самостоятельной сборке можно изготовить два биквадрата одинаковой конструкции. Расположить их следует в направлении одной базовой станции, а поляризацию развернуть на +45 и -45 градусов. Между антеннами нужно обеспечить достаточное расстояние и не допускать взаимного затенения отражателями.
Для двух всенаправленных GP-антенн важнее подобрать ориентацию и пространственное разнесение, чтобы снизить взаимную связь. Точные расстояния зависят от частоты и конструкции.
Производители LTE-оборудования также рекомендуют использовать все необходимые антенные каналы. Однако число и назначение портов зависят от модели модема. Два разъёма на корпусе не всегда означают одинаковые независимые передающие каналы.
Не соединяйте два антенных кабеля обычным тройником ради экономии разъёмов. Такое соединение способно ухудшить согласование и лишить оборудование преимуществ MIMO.
Настраиваем антенну по сигналу, а не по делениям
Оценивать работу по значку «четыре палочки» бесполезно. В интерфейсе модема найдите три параметра.
| Параметр | Что показывает | Куда должен измениться |
|---|---|---|
| RSRP | Мощность принимаемого опорного сигнала | В сторону менее отрицательных значений |
| RSRQ | Качество принимаемого сигнала | Обычно в сторону менее отрицательных значений |
| SINR | Отношение полезного сигнала к помехам и шуму | Чем выше, тем лучше |
Допустим, до установки антенны RSRP составлял -108 dBm, а SINR равнялся 3 dB. После подключения RSRP улучшился до -96 dBm, а SINR вырос до 11 dB. Такой результат говорит о заметном улучшении радиолинии. Однако скорость может увеличиться не пропорционально, поскольку модем зависит также от загрузки базовой станции и доступной ширины радиоканала.
Проверяйте результат в следующем порядке.
- Запишите исходные RSRP, RSRQ, SINR, рабочий Band и идентификатор соты.
- Измерьте скорость загрузки и отдачи несколько раз до подключения внешней антенны.
- Подключите изготовленную конструкцию к выключенному роутеру и включите оборудование.
- Проверьте, что роутер действительно использует внешние антенные входы, если модель требует переключения.
- Для биквадрата медленно меняйте направление и положение антенны, наблюдая прежде всего за SINR и стабильностью соединения.
- Повторите измерения скорости. Желательно сравнивать показатели при одинаковом Band и одной обслуживающей соте.
Если антенна не дала улучшения, причина может быть не в размерах излучателя. Проверьте соединения, затухание кабеля, выбранный диапазон, ориентацию и наличие препятствий перед антенной.
При наличии анализатора NanoVNA, поддерживающего нужный диапазон частот, измерьте коэффициент стоячей волны по напряжению, или КСВ, в полосах передачи и приёма LTE. Хорошее согласование обычно предполагает КСВ ближе к единице. Для практической любительской конструкции желательно стремиться к значению не выше 2 на нужных частотах, хотя само по себе такое значение ещё не гарантирует высокого усиления.
Обычная прозвонка мультиметром не заменяет проверку КСВ. У биквадрата между центральной жилой и экраном может существовать электрическая проводимость через проволочную петлю, что само по себе не свидетельствует о неправильной сборке.
Самодельная пассивная антенна, подключённая непосредственно к предусмотренному производителем входу роутера, отличается от активного ретранслятора сотовой связи. Не пытайтесь самостоятельно собирать усилитель с передачей сигнала в эфир. Работа таких устройств регулируется национальным законодательством, а неисправный репитер способен мешать сотовым сетям. При наружной установке не размещайте антенну рядом с линиями электропередачи, учитывайте требования к молниезащите и не выполняйте монтаж во время грозы.
Ошибки, из-за которых самодельная антенна не работает
Неправильный частотный диапазон. Роутер подключился к Band 20, а проволочная конструкция рассчитана только на Band 7. Для узкополосной антенны различие критично.
Длинный тонкий кабель. Пользователь поднимает антенну на крышу, а затем пропускает сигнал через десять метров RG-174. Потери способны уничтожить большую часть выигрыша.
Нет второго антенного тракта. Один самодельный излучатель на MIMO-роутере иногда улучшает RSRP, но ухудшает общую пропускную способность. Нужна проверка конфигурации конкретного модема.
Металлические препятствия рядом с антенной. Металлическая рама окна, крыша, водосточная труба или крепёж могут менять диаграмму и согласование. Отодвиньте антенну от крупных металлических предметов и сравните показатели.
Ориентация только по RSRP. Самое сильное направление не всегда самое быстрое. Другая базовая станция с немного меньшей мощностью, но лучшим SINR и меньшей нагрузкой может обеспечить более высокую скорость.
Вера в рекламные 20–30 dBi. Небольшая проволочная антенна не получает огромного усиления просто потому, что продавец нарисовал крупную цифру. Усиление связано с геометрией, эффективной апертурой, направленностью и потерями. Без измерений характеристика остаётся предположением.
Частые вопросы
Можно ли сделать 4G-антенну из обычной медной проволоки?
Да. Медная проволока подходит для четвертьволновых излучателей и биквадратов. Желательно использовать достаточно жёсткий одножильный провод, который сохраняет геометрию после сгибания. Точность размеров и правильное подключение важнее декоративного оформления.
Можно ли использовать телевизионный кабель 75 Ом?
75-омный кабель способен передавать сигнал LTE, но большинство антенных портов сотовых модемов рассчитано на 50 Ом. При прямом подключении возникает рассогласование, величина которого зависит от всей конструкции. Для самодельной антенны с расчётом на 50 Ом предпочтительнее соответствующий кабель.
Будет ли работать 4G-антенна без металлического отражателя?
Проволочный излучатель может работать без отражателя, но характеристики биквадрата изменятся. Направленность, входное сопротивление и усиление будут отличаться от расчётных. Если отражатель не нужен, проще собрать специально рассчитанный диполь или Ground Plane.
Можно ли подключить самодельную антенну прямо к смартфону?
Большинство современных смартфонов не имеет пользовательского разъёма для внешней сотовой антенны. Вскрывать телефон и припаивать кабель к внутренним антеннам не рекомендуется. Для улучшения связи практичнее использовать 4G-роутер с внешней антенной и подключать смартфон к нему по Wi-Fi. Для звонков может помочь Wi-Fi Calling, если функцию поддерживают телефон и оператор.
Поможет ли антенна, если 4G вообще не ловит?
Если снаружи дома базовая станция доступна, но внутри сигнал слишком слабый, правильно установленная антенна может помочь. Если покрытия нет даже на открытой местности и на возвышенности, пассивная антенна не гарантирует появление связи. Потребуется проверить других операторов или альтернативные способы доступа в интернет.
Подойдёт ли антенна для 4G 1800 МГц для 5G?
Только если нужный диапазон 5G попадает в рабочую полосу антенны, а согласование и характеристики позволяют использовать её с конкретным устройством. Для 5G на 3500 МГц конструкцию, рассчитанную на LTE 1800 МГц, нужно пересчитать. Кроме того, 5G-роутеры нередко используют четыре антенных канала и более.
Как защитить самодельную антенну от дождя и снега?
Поместите излучатель в герметичный корпус из подходящего радиопрозрачного пластика. Герметизируйте кабельный ввод, предусмотрите защиту разъёмов от влаги. Металлический корпус применять нельзя, поскольку он экранирует сигнал. После установки корпуса повторно проверьте характеристики, так как близкий пластик и вода способны влиять на согласование.
Вывод. Самый простой вариант для первого эксперимента представляет собой Ground Plane из пяти медных проводников. Антенну можно изготовить с минимальным набором инструментов и проверить, помогает ли правильное размещение улучшить связь.
Для стационарного 4G-интернета за городом интереснее направленный биквадрат. При известном рабочем диапазоне и аккуратной сборке конструкция способна обеспечить заметно больший выигрыш. Для роутера с MIMO 2×2 предпочтительнее пара согласованных антенн, а не один излучатель.
Однако перед пайкой полезно провести простой эксперимент. Переместите существующий роутер к окну, попробуйте поставить его выше и сравните RSRP, SINR и скорость. Если улучшение заметно, наружная антенна имеет смысл. Если сигнал сильный, а интернет всё равно медленный, узким местом может оказаться перегруженная базовая станция, тариф или сам модем. В таком случае даже идеально изготовленный биквадрат не решит проблему.
